基于vpg的轮式商用车底盘动应力响应分析

基于vpg的轮式商用车底盘动应力响应分析

1车载汽车底盘的物理仿真随着市场竞争的加剧，国内外汽车制造商通过缩短产品研发周期，降低产品成本，提高产品耐用性，其中耐用性是影响其竞争力的主要因素。同时，由于汽车产品的开发周期和成本要求，产品的耐用性必须得到控制。为此,国外各大汽车公司开展了汽车试车场耐久性试验条件下耐久性仿真研究。ArvinMeritor公司运用虚拟试车场(VPG,VirtualProvingGround)技术对载货汽车底盘系统耐久性进行了预报,并用试验方法对所得结果进行了验证,该技术得到广泛应用;MIRA公司运用VPG技术对轿车整车耐久性进行了预报,取得较好效果。VPG技术研究的投入和基础技术要求较高,涉及到分析、测试与试验技术的密切配合,我国对此开展的研究较少。本文以某试车场耐久性道路为输入条件,应用虚拟试车场技术建立整车虚拟仿真模型,模拟分析载货汽车底盘动应力响应,并与相同路况下的测试结果进行了对比研究。在此基础上,运用专用疲劳预报软件FEMFAT实现了整车开发过程中底盘耐久性的有效预报。2动力方程及其求解整车虚拟试车场技术耐久性模拟是一个高度非线性的动态过程,一方面零部件之间的连接关系复杂,既包含零部件之间的接触关系,也包含运动副连接关系;另一方面,因分析是建立在底盘基础上的,需要考虑的零部件及总成较多,导致计算模型较大;再者车辆在耐久性路面上行驶的速度较慢,造成计算时间历程长。这些因素导致很难快速而准确地进行VPG技术模拟,因而如何将这一复杂问题利用数学方程描述并利用计算机求解值得探讨。系统的动力方程为:式中,M、C分别为系统质量及阻尼;譈(t)、U觶(t)、R(t)分别为加速度、速度和恢复力,若为线性系统则R(t)=KU(t)(其中K为刚度,U(t)为位移);P(t)为系统外力。求解式(1)的方法有显式积分法和隐式积分法。a.显式积分法中心差分法得到的迭代方程为:b.隐式积分法利用Newmark-β法得迭代方程为:由上述动力方程的解法可知,若采用隐式积分方法求解式(3),因中含有K矩阵,则在每一时间步求解过程中都需要做矩阵求逆运算,这对于大模型或极度非线性问题求解是非常困难的。但如果采用显式积分法求解式(2),则在计算过程中不需要非线性刚度矩阵求逆,因此解此类问题具有很高的效率。利用式(2)求得位移响应,然后根据有限元理论基本方程即可求得应变、应力响应。因此,VPG技术采用LS-DYNA程序的显式算法作为求解器进行求解计算。3货船有限模型的构建3.1模型的建立与分析轮胎的计算模型采用ETA的动力学轮胎模型,根据实际参数调整校核模型。考虑一些部件(如驾驶室、发动机、车箱和货物等)的质量对底盘载荷的影响,在模型上施加集中质量单元或考虑质量后刚体化处理。悬架系统的部分零件是通过运动副的作用来传递载荷的。由于运动副载荷传递途径复杂,有限元建模时将运动副简化为铰链,内部摩擦与间隙不计。前悬架系统的铰接模型如图1所示,后悬架系统的铰接模型如图2所示。板簧是由多个零件组装在一起的复杂模型。模拟分析暂不考虑板簧的应力,因此可将板簧做如图3所示的简化,按照试验的方法计算板簧的刚度,调整有限元模型参数使其刚度与试验测试的刚度一致。试验中测得的减振器的特性曲线表现为1组回滞曲线,不符合有限元模型的参数输入要求,计算模型将回滞曲线拟合为一单调增非线性曲线,如图4所示。试车场路面模型是VPG仿真道路行驶试验能否再现实车试验、试验结果能否真实反映实车零部件受载情况的关键。为了同试验测试结果对比,建立了某试车场耐久性标准路面的有限元模型。3.2整车道路耐久性试验模型将轮胎、路面、前悬架系统、后悬架系统、驾驶室、车箱及货物等组装在一起,构成整车道路耐久性试验模拟模型,计算模型如图5所示。计算模型的外部载荷为重力加速度和车辆行驶速度,约束施加在路面上。计算时采用质量缩放法将最小时间步长控制在10-6s数量级,同时要求质量增加不超过5%。4鞋底组件的电压测试4.1历程响应图通过对载货汽车进行道路试验,得到某典型测点的应变时间历程响应如图6所示。根据试车场路面数据和图6中典型路面的时间区间计算出试验车在特征路面上的行驶速度,如表1所列,这些数据将作为底盘VPG模拟计算的车辆行驶速度。4.2试验的适应性片剂开口的位置为了同VPG模拟结果进行对比,在前桥和车架上布置试验应变片,如图7所示。5仿真结果分析将整车计算模型与试车场不同路面模型组合在一起形成了典型路面的耐久性模拟道路模型。针对试车场比利时路、扭曲路、搓板路和鱼鳞坑路的测点应力响应与VPG模拟结果进行了对比研究。图8为搓板路条件下的某一时刻整车及前、后悬架的应力分布;图9为搓板路条件下车架测点试验结果与仿真计算应力比较;图10为搓板路条件下车架测点试验结果与计算应力响应的自功率谱比较。从底盘典型构件试车场试验结果与VPG模拟结果(见图9和图10)比较可看出,构件测点的测试结果与VPG模拟结果在时域与频域上的趋势基本一致,说明VPG技术可以有效模拟各种试车场路面条件下载货汽车构件的动应力响应,这为预报汽车耐久性奠定了基础。6专用疲劳分析在载货汽车试车场实车试验与VPG模拟较吻合的基础上,运用专用疲劳分析软件FEMFAT4.7对载货汽车底盘耐久性进行预报。图11为比利石路面条件下载货汽车底盘疲劳分布图,从图11可清楚了解底盘设计的薄弱环节,从而指导底盘的修改设计。7vpg技术模拟本文实现了载货汽车试车场耐久性试验条件下底盘VPG模拟,模拟计算结果与测试结果对比表明,时域和频域趋势基本一致,说明VPG技